静电除尘式防雾霾纱窗除尘试验及效率分析*

张　伟，刘　波，杨炳耀，许祖轩，高雪源

(西安工业大学 机电工程学院，西安 710021)



静电除尘式防雾霾纱窗除尘试验及效率分析*

张伟，刘波，杨炳耀，许祖轩，高雪源

(西安工业大学 机电工程学院，西安 710021)

摘要：为了解决普通纱窗无法在雾霾天气下有效地过滤对人体有害的可吸入颗粒物的问题，通过将静电除尘技术同湿度检测控制技术以及现有的纱窗结合使用，设计了一组新型防雾霾纱窗装置.在普通纱窗的外层安装一台静电除尘装置，对纱窗外即将进入室内的空气进行高效除霾.在纱窗外端安装湿度检测探头，连接室内湿度检测控制装置，实现了对静电除尘装置的工作湿度控制.通过现场检测试验，结果表明：使用普通纱窗时，室内PM2.5值为401 μg·m-3;使用防雾霾纱窗之后，室内PM2.5值下降到20 μg·m-3.使用防雾霾纱窗可高效除去空气中对人体有害的可吸入颗粒物，显著降低PM2.5.

关键词：静电除尘；防雾霾纱窗；湿度；细颗粒物(PM2.5)

随着经济水平的提高和工业化进程的加快，人们的生活水平得到了显著的提高，但是伴随而来的环境恶化问题尤其是雾霾等大气污染已经严重影响了人们正常生活.调查显示，我国大中城市一年出现雾霾天气的天数为150～210 d ，个别天数甚至引起检测装置爆表[1].雾霾中对人体有危害的主要成分是PM2.5，因此，持续的雾霾天气使得人们产生了对PM2.5的担忧.目前居民使用的纱窗功能较为简单，只能过滤一些进入房间的杂物，防止蚊虫及大颗粒物质进入室内，却不能阻挡PM2.5与PM10等有害物质进入室内.因此在很多雾霾天气下，人们不能开窗透风，一旦开窗，这些有害物质很容易进入室内，对人的身体和室内环境造成很大的健康危害.

针对普通纱窗无法在雾霾天气下有效地过滤对人体有害的可吸入颗粒物的问题，有多位学者提出了改造方案.文献[2]将静电除尘技术同纱窗结合，主要使用静电发生器使纱窗带上静电；文献[3]则将一种核孔膜技术同现有纱窗结合，从而解决可吸入颗粒物的问题；文献[4]也提出了一种新的基于静电技术的防尘透风纱窗设计；还有一些别的学者对防雾霾纱窗领域进行了许多研究[5-8].

但是，以上方案虽在一定程度上解决了对可吸入颗粒物的吸附问题，但是除尘效率不高，结构复杂，成本较昂贵，透光性差且安全性有待改善.因此，本文通过将静电除尘技术同湿度检测控制技术以及现有的纱窗结合使用，显著提高了除尘效率，也解决了透光性，安全性等问题.

1静电除尘原理

静电除尘是一种气体在静电场中电离，电离后的电子与尘粒相遇，使其带电被吸附于集尘板的除尘方式.其收集过程如图1所示.其除尘过程包括:① 气体电离；② 粉尘荷电；③ 粉尘沉降.

在强电场中空气被电离为正离子及自由电子，空气被电离之后，正离子立即同放电极(负极)结合，自由电子同空气中的尘粒结合，实现粉尘荷电，荷电粉尘在库仑力的作用下到达集尘板表面，然后放出其所带电荷而沉积在集尘板上.

电极表面附近发生电离需要以下几个条件:① 气压高于或者处于标准大气压；② 电极表面曲率半径比较小，电场分布不均匀；③ 临近电极处场强较高.电极附近电晕层内场强很高，会引发剧烈电离.本文应用高压直流负电晕制造高压静电除尘器.电除尘器的伏安特性取决于电极的形状、电压波形和极性、气体的组成和状态、电极上集尘的厚度和性质以及悬浮粉尘的浓度和颗粒直径等因素[9].

图1　板式电除尘器工作原理Fig.1　Principle of panel electrostatic dust remover

电晕开始发生所需要的场强主要由两个因素决定:① 几何因素；② 气体性质.为提供气体电离碰撞所需的能量，给定气体中的起晕场强需要足够大.显然，这个主要取决于该气体的电离电位和各次互相碰撞之间的平均自由程[10].空气中的起晕电场强度为

(1)

式中:δ为空气相对密度；a为电晕线半径；m为导线光滑修正系数，一般在0.5～1之间，对清洁的光滑导线m=1，对实际中遇到的导线可取 0.6～0.7.

对式(1)进行积分可得到起晕电压值为

(2)

其中b为阴极到阳极的距离(m).

极线直径增大时，起晕电压随之提升，如图2所示.

极线附近的场强随极线直径的减小而增加.小直径的极线附近场强随极线离开表面的距离增大而急剧减小.而大直径极线的场强减小程度与小直径相比较低.当极线直径较大时，阴极到阳极的距离可忽略，由此可确定光滑粗大的极线起晕场强为300万 V·m-1.因此，当电除尘器中的放电极使用光滑圆线时，圆线的直径一般为∅1.5～3.8 mm，从而降低起晕电压[10].由此可计算起晕电压约为2 000 V.

粒子有效运动速度为电离产生的粒子运动速度与离子风的运动速度之和，因此集尘电场中的离子风可以加速尘粒向集尘板的沉降，从而提升静电除尘的除尘功效，加快尘粒向集尘电极的运动.

图2　起晕电压随极线直径的变化Fig.2　Corona onset voltage changing with polar line’s diameter

2防雾霾纱窗的结构设计

2.1总体设计

板式静电除尘装置结构示意简图如图3所示.

图3　板式静电除尘装置结构示意简图Fig.3　Diagram of structure of the panel electrostatic dust remover

首先对于主要功能部件即静电除尘装置，采用了板式结构.室内电源经高压变压器变为2 000 V电压后，其负极线同高压母线相连，正极与集尘板相连；高压母线与电晕极相连，电晕极由下方的电晕极固定装置固定.工作时，高压电源供电，电晕极带负电，将装置周围的空气通过所产生的离子风吸入，高压负电使得空气电离为正负离子，负离子吸附空气中0.01～50 μm的颗粒物向集尘板运动，并最终被吸附于集尘板.

由于静电除尘装置在阴雨天气或者湿度过高时，可能会产生漏电等危害，故还需要控制静电除尘装置的工作湿度，使其在阴雨天气或高湿度环境下自动断电，当湿度恢复到合适的工作范围内时，装置重新启动.采用湿度检测控制装置可以实现这一功能.

静电除尘式防雾霾纱窗的总体结构示意简图如图4所示.

1—普通纱窗;2—湿度检测探头;3—湿度检测探头引线; 4—静电除尘装置;5—高压电源线;6—集尘板; 7—外接电源线;8—湿度检测控制装置显示屏; 9—湿度检测控制装置;10—开关; 11—湿度控制范围调节按钮; 12—220～2 000 V变压器;13—电晕极 图4　静电除尘式防雾霾纱窗总体结构示意简图Fig.4　Diagram of anti-haze screen of electrostatic dust remover

由图4可知，静电除尘式防雾霾纱窗主要包括普通纱窗、静电除尘装置、湿度检测控制装置和变压器等.静电除尘装置固定于普通纱窗外侧，通过高压电源线与220～2 000 V高压变压器相连，而变压器又同湿度检测控制装置相连，受其控制电路的通断；湿度检测探头安装于纱窗外侧的左上方，负责检测静电除尘装置周围湿度，其与湿度检测控制装置通过引线相连；湿度检测控制装置安装于室内，所需电源由普通家用室内电源即220 V交流电源提供.

2.2结构参数的确定

通过一定阶段的调研得知，大部分家用纱窗规格为1 m×0.6 m，根据此规格，确定了所设计方案的基本规格.纱窗大小采用普通纱窗规格即1 m×0.6 m；窗纱方孔大小为2 mm×2 mm；静电除尘装置规格为0.9 m×0.5 m×0.05 m，功率为20 W，工作电流为10 mA，低于人体安全电流；静电除尘装置所需电压为2 000 V；高压变压器采用220～2 000 V变压器，其规格为0.1 m×0.1 m×0.15 m；湿度检测控制装置湿度单位选择相对湿度单位，启动湿度设置为75%，停止湿度设置为90%.静电除尘装置与湿度检测探头为主要的纱窗外侧悬挂装置，整体重量为3 kg；连同纱窗在内的整套装置重量约为5 kg.

静电除尘式防雾霾纱窗电源使用室内电源提供，安装方法同普通纱窗相同，即安装于滑动导轨上，装有静电除尘装置的一侧朝室外放置，中间有窗纱同室内隔离，纱窗导轨上需开有通电导线孔，以方便引线接入室内.

3除尘试验及效率分析

制作静电除尘防雾霾纱窗样品，进行现场检测，调节湿度控制范围，即启动湿度为75%，停止湿度为90%.一段时间后，当静电除尘装置附近环境湿度低于75% 时，静电除尘装置开始工作，同时伴有微弱声音但整体无明显变化.此时，附近的空气被电晕极电离成正负离子，并形成离子风，使得空气朝着一个方向流动，在经过静电除尘装置时，空气中0.01～50 μm的微小颗粒被吸附至集尘板，并在集尘板上堆积，随即被除尘后的洁净的空气又经过普通纱窗进入到室内，不久便可以看到实验中心人为制造的浑浊的空气被快速除净，即实现了去除雾霾的目的.当阴雨天气到来或静电除尘装置附近环境湿度高于90% 时(试验时人为制造喷雾以达到试验所需空气湿度来模拟阴雨天的空气环境)，湿度检测探头检测到的湿度超过了设定值，湿度检测控制装置则立即使220～2 000 V变压器断电，从而静电除尘装置停止工作.当湿度重新下降至75% 以下时，湿度检测控制装置又使得220～2 000 V变压器通电，从而静电除尘装置再次正常进行工作，工作过程同上所述.防雾霾纱窗进行清洗时，将纱窗卸下，对集尘板喷洒清洗剂后擦拭，待集尘板晾干后，即可再次进行使用.

静电除尘装置的除尘效率可利用PM2.5浓度来进行分析.所测数据是在人为制造的烟雾环境中检测的.在实验中心室内模拟制造较高浓度PM2.5的环境，并采用抽样检测的方式，对全天24 h的6个时刻分别进行检测.检测未使用防雾霾纱窗时的环境PM2.5值，进而开启装置，检测使用防雾霾纱窗之后环境的PM2.5值，加以对比，分别计算使用防雾霾纱窗前后室内环境PM2.5的平均值.测量结果见表1.

由表1可知，采用抽样检测的方式进行试验之后，在各时段内，使用静电除尘式防雾霾纱窗之后的PM2.5的实时浓度较未使用的浓度均有大幅下降，且PM2.5的24 h均值比普通纱窗减少了381 μg·m-3.结果表明,静电除尘式防雾霾纱窗能够高效地除去空气中的微小颗粒物.

表1　PM2.5浓度检测数据表Tab.1　The test data of PM2.5 concentration

4结 论

1) 基于静电除尘原理，通过将静电除尘技术同湿度检测控制技术及现有的纱窗结合使用，设计了一组新型防雾霾纱窗装置.该纱窗解决了普通纱窗无法在雾霾天气下有效地过滤对人体有害的可吸入颗粒物的问题.

2) 该新型防雾霾纱窗实现了湿度调节控制功能，在湿度适当时工作，在阴雨天气或者湿度极高时停止工作，增强了安全性.

3) 通过样品现场检测试验，结果显示静电除尘式防雾霾纱窗的除尘效率达95%以上，证明了新型纱窗基于静电除尘原理进行防雾霾除尘的高效性.

参 考 文 献：

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(责任编辑、校对张超)

【相关参考文献链接】

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DOI:10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.06.005

*收稿日期：2015-11-04

基金资助：西安工业大学大学生创新创业训练计划项目(201410702035)

作者简介：张伟(1992-)，男，西安工业大学助研. 通讯作者：刘波(1963-)，男，西安工业大学教授，主要研究方向为机械制造工艺、精密机械设计、空气轴承设计及超精密机械仪器等.E-mail:liubo5620@xatu.edu.cn.

文献标志码:中图号：U453.8+3A

文章编号：1673-9965(2016)06-0456-05

Dust Removing Test and Efficient Analysis of Anti-Haze Screen of Electrostatic Dust Removal

ZHANGWei,LIUBo,YANGBingyao,XUZuxuan,GAOXueyuan

(School of Mechatronic Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China)

Abstract:In order to solve the problem that common screen window can not filter the dust which is harmful to the human body effectively in fog and haze,a group of new anti haze screen device is designed,combining the normal screen with the electrostatic dust removal technology and humidity measurement and control technology.It is achieved to filter the passing air efficiently by installing an electrostatic dust removing device and a transformer device out of the common screen window.The humidity detection probe is installed out of the window,and it is connected with the humidity detecting and controlling device inside,to control the working humidity of the electrostatic dust removing device.The results of experiment show:After using anti-haze screens,the index of PM2.5decreases to 20 μg·m-3in room,compared with PM2.5of 401 μg·m-3,while the ordinary screens is used.It is verified that the anti-haze screens efficiently remove the respirable particulate in the air,which could be harmful to human beings,and dramatically reduce PM2.5.

Key words:electrostatic precipitator;anti haze screen;humidity;PM2.5